misura della rigidità dielettrica

PROVA DI LABORATORIO # 7
DEL
17/11/1998
Corso di Tecnica delle Alte Tensioni
MISURA DELLA RIGIDITÀ DIELETTRICA
DI VARI OLI ISOLANTI
Si effettui la misura della rigidità dielettrica di vari oli isolanti,
sia minerali che sintetici.
Si descrivano le procedure di esecuzione della prova e si commentino i risultati ottenuti.
Premessa
I dielettrici liquidi sono largamente utilizzati nell’elettrotecnica. Si illustrerà la prova per
la misura della rigidità dielettrica per gli oli isolanti, saranno esaminati oli minerali e sintetici
e saranno commentati i risultati ottenuti.
Parte I
(Cenni teorici)
Gli oli usati come materiali da riempitivo nell’elettrotecnica sono in generale oli
minerali ottenuti dalla distillazione frazionata del petrolio, oppure oli sintetici sintetizzati in laboratorio.
Gli oli sono usati con funzioni di raffreddamento e isolamento in trasformatori,
interruttori, reostati, condensatori e cavi.
Gli isolanti liquidi hanno un’importanza fondamentale nell’elettrotecnica, e per
diversi motivi.
Innanzitutto svolgendo la duplice funzione di isolamento e raffreddamento in
maniera molto più efficiente di quanto non faccia un dielettrico gassoso, l’aria per
esempio, permettono la realizzazione di apparecchiature più affidabili e compatte.
Sono in grado di penetrare in tutte le parti del dispositivo, assicurando un livello di isolamento maggiore rispetto a quello dei dielettrici solidi. Gli stessi dielettrici
solidi, opportunamente impregnati con questi liquidi, vedono migliorare notevolmente le loro caratteristiche dielettriche.
Infine, essendo in intimo contatto con tutte le parti dell’apparecchiatura, costituiscono un efficace mezzo diagnostico. Qualsiasi anomalia nell’isolamento della
macchina provoca infatti un degradamento dell’isolamento stesso, che inquina
l’olio. L’energia termica sviluppata poi da eventuali archi elettrici interni nell’apparecchiatura degrada e invecchia l’olio, che cambia le sue caratteristiche. Un esame periodico della composizione dell’olio, così come per un essere umano l’esame del
sangue, è quindi in grado di rilevare anomalie di funzionamento di un macchinario
altrimenti non individuabili.
In macchinari il cui costo o importanza “strategica” siano grandi una parte degli
interventi di manutenzione ordinaria riguarda proprio l’analisi periodica dell’olio, condotta anche con tecniche speciali, come quelle gascromatografiche per l‘esame dei
gas formatisi e disciolti nell’olio. Queste analisi sono spesso in grado di rilevare
guasti incipienti prima che essi mettano fuori servizio l’apparecchiatura, con vantaggi economici e di continuità del servizio.
Nella sezione seguente sarà illustrata in dettaglio una di queste analisi, la prova per la misura della rigidità dielettrica di un olio isolante.
La misura della rigidità dielettrica non è per la verità un esame della qualità
dell’olio, ma una prova convenzionale del tipo passa – non passa atta a rilevare la
presenza di acqua o di altre impurità in sospensione. Sulla base dei risultati della
misura è possibile decidere sull’opportunità di eseguire un trattamento di essiccamento e filtrazione degli oli prima di introdurli negli apparecchi ai quali sono destinati.
Questa prova è anche idonea per evidenziare eventuali alterazioni fisiche o
chimiche nell’olio dovute all’esercizio del componente.
Infatti durante l’esercizio le proprietà dell’olio possono alterarsi
( “invecchiamento” ). L’alterazione chimica si manifesta con la formazione di acidità
organica e depositi asfaltosi (nel caso degli oli minerali), l’olio tende ad acquistare
colore sempre più scuro e diventa più denso; concorrono ad accelerare il processo
di ossidazione la temperatura ed il contatto con i metalli, particolarmente il rame, il
quale esercita un’energica azione catalitica. È opportuno quindi effettuare controlli
fisico – chimico periodici, che possono essere eseguiti ogni 3 o 4 anni, salvo intensificarli per condizioni di esercizio particolarmente gravose o per oli già in avanzata
fase di decomposizione.
Se l’alterazione è invece modesta l’olio può essere riutilizzato previa depurazione con adatti filtri o centrifughe. Inoltre, nel caso di oli utilizzati per isolare e raffreddare i trasformatori, è opportuno prelevare da queste macchine due campioni
d’olio (uno nella parte bassa della macchina e l‘altro nella parte alta), e sottoporli alla prova della misura della rigidità dielettrica descritta nella sezione seguente, per
stabilire se l’olio è ancora adoperabile o se è opportuno essiccarlo o trattarlo.
La prova della rigidità dielettrica può dare quindi una buona idea dello stato di
purezza dell’olio ed è perciò di grande aiuto nella sorveglianza degli oli in esercizio.
La depurazione fisica con filtri consiste nel far passare l’olio, riscaldato a
50÷60 °C per dei filtri di carta speciale, i quali trattengono l’umidità e le sostanze
estranee in sospensione nell’olio.
Altro trattamento fisico molto usato è la “centrifugazione sotto vuoto”: le impurità e i depositi asfaltosi vengono separati dall’olio per azione centrifuga, mentre il vuoto provoca l’evaporazione dell’acqua contenuta nell’olio. La figura schematizza il principio di funzionamento di una centrifuga sotto vuoto con riscaldatore.
L’olio prelevato dal punto più basso del cassone del trasformatore passa per
un filtro che trattiene le impurità più grosse e per un riscaldatore che lo porta a
70÷75 °C. Dal riscaldatore per il rubinetto di regolazione 1 entra nella centrifuga
che ruota a circa 15000 giri/min. : le impurità più pesanti dell’olio si depositano
sul cilindro, dal quale vengono di tanto in tanto rimosse, mentre il resto dell’olio
sale per il cilindro fino a trovare un orifizio dal quale si scarica nel serbatoio di
raccolta.
Nel serbatoio viene mantenuto, da apposita “pompa a vuoto”, un vuoto molto
spinto così che l’azione combinata del vuoto e della temperatura dell’olio libera
l’acqua contenuta nell’olio che viene estratta sotto forma di vapore dalla pompa a
vuoto.
Da notare che fino al serbatoio di raccolta l’olio viene mosso dall’azione del
vuoto che lo aspira, mentre dal serbatoio di raccolta viene estratto da una pompa
che lo manda nel trasformatore attraverso il compensatore. Regolando opportunamente i rubinetti 1 e 2 si mantiene costante il livello nel serbatoio di raccolta.
Parte II
(Descrizione della prova di rigidità dielettrica)
La “rigidità dielettrica” di un olio è l’attitudine ad opporsi ad una scarica disruttiva, ed è misurata dalla tensione necessaria per provocare la scarica attraverso un
determinato spessore d’olio, in determinate condizioni sperimentali. Si determina
utilizzando uno spinterometro la cui cella normalizzata è rappresentata in figura.
Le modalità di esecuzione della prova sono fissate dalla normativa CEI 10.1.
La prova consiste nel sottomettere l’olio, contenuto in un determinato apparecchio o cella, ad un campo elettrico alternativo crescente in maniera continua fino a
produrre la scarica nell’olio.
La cella deve essere trasparente di vetro o di resine sintetiche (in ogni caso un
materiale inerte), chiusa con coperchio e deve avere un volume utile tra 350 e 600
cm3.
Gli elettrodi devono essere di rame, di ottone, di bronzo oppure di acciaio inossidabile, con forma a calotta sferica (profilo di Rokowsky), e con superficie lucidata
(le asperità costituiscono dei “punti caldi” e favoriscono la scarica).
Vanno disposti su un asse orizzontale a distanza di 2.5 ± 0.1 mm, e la distanza va controllata per mezzo di calibri a spessore.
L’inserimento del coperchio portaelettrodi nella cella va fatto con la massima
cura, evitando il contatto diretto con le dita sugli elettrodi.
Immediatamente prima dell’impiego, la cella deve essere risciacquata con
l’olio da provare; il campione si versa nella cella di prova, lentamente per evitare
bolle d’aria (ad esempio servendosi di una bacchetta di vetro pulita ed asciutta).
La formazione di bolle d’aria va assolutamente evitata. La scarica in un dielettrico liquido inizia infatti nella nube di liquido vaporizzato che si crea laddove
le cariche libere fuoriescono dagli elettrodi metallici, a causa delle elevate temperature raggiunte durante l’estrazione. Le scariche parziali che avvengono in questa nube producono energia e con essa un’ulteriore vaporizzazione del gas. È allora evidente che la presenza di un gas nell’olio produrrebbe un innesco intempestivo della scarica, rendendo non significativi i risultati della prova.
L’operazione va effettuata in un ambiente asciutto e privo di polvere.
La temperatura dell’olio, al momento della prova, dev’essere la stessa di quella dell’ambiente, preferibilmente attorno a 20°C (15÷25 °C).
La temperatura influenza la rigidità dielettrica dell’olio per il tramite della
viscosità. In linea di massima infatti un olio molto fluido, quindi poco viscoso, ha
una tendenza a bollire (cioè a formare ad alta temperatura bolle di vapore al suo
interno) maggiore di un olio molto viscoso.
Siccome la scarica si innesca nel liquido vaporizzato, è evidente che quanto meno un liquido vaporizza, meglio è.
Un buon olio dovrebbe avere una viscosità che non varia molto al variare
della temperatura.
La prova consiste nell’applicare agli elettrodi una tensione alternata crescente
(frequenza da 40 a 62 Hz), con un gradiente di 2kV efficaci al secondo, da zero fino
a quando si verifica una scarica di rottura.
L’applicazione della tensione va effettuata il più rapidamente possibile dopo il
riempimento della cella, al massimo dieci minuti dopo il riempimento e comunque
quando non vi siano più bolle d’aria nell’olio.
La tensione di scarica è quella raggiunta durante la prova nel momento in cui
si produce la prima scarica tra gli elettrodi.
La prova va eseguita sei volte sullo stesso campione senza cambiare l’olio nel-
la cella.
La prima prova va considerata come una prova di “assestamento”; per le cinque prove successive, la tensione va riapplicata un minuto dopo la scomparsa delle
bolle d’aria eventualmente formatesi.
La rigidità dielettrica è la media aritmetica dei cinque risultati ottenuti, perché
la prima prova di assestamento viene scartata.
Se tensione di scarica supera il valore di 35kV in ognuna delle ultime cinque
prove, l’olio ha superato la prova e può essere utilizzato correttamente.
Parte III
(Esecuzione della prova di rigidità dielettrica)
La prima serie di prove è stata effettuata su un olio minerale, l’Agip ITE 360,
utilizzato nei trasformatori di potenza.
T = 18 °C
Prova d’assestamento:
Prova n. 1
Prova n. 2
Prova n. 3
Prova n. 4
Prova n. 5
V = 26.4 kV
V = 26.4 kV
V = 25.2 kV
V = 30.0 kV
V = 26.4 kV
V = 27.6 kV
Si noti che un campione di questo olio, prelevato dallo stesso contenitore,
era stato sottoposto alla stessa prova un anno fa. All’epoca la rigidità misurata fu
di 37.2kV/2.5mm, contro i 27.1kV/mm della prova attuale.
Evidentemente, a distanza di un anno quest’olio, mai utilizzato, ha assorbito umidità pur essendo conservato nel suo contenitore originale.
Questi fatti suggeriscono che un olio, anche se mai usato, deve comunque
essere sottoposto alla prova di rigidità prima di essere utilizzato in un componente. Infatti anche per gli oli isolanti esiste una “SHELF LIFE” (vita sullo scaffale),
cioè un periodo di tempo passato il quale l’olio non utilizzato perde le sue proprietà isolanti.
La prova di rigidità condotta su un altro olio minerale vecchio di un anno è stata interrotta dopo le prime due prove, per manifesto deterioramento dell’olio.
T = 18 °C
Prova d’assestamento:
Prova n. 1
V = 18.0 kV
V = 20.0 kV
L’ultima prova di rigidità è stata condotta su un olio sintetico.
E’ stato esaminato un olio sintetico perfluorinato prodotto dalla Montefluos (la
divisione oli isolanti della Montedison), il Galden HT200.
Anche quest’olio era abbastanza vecchio, ed infatti non ha superato la prova,
che è stata interrotta prematuramente:
T = 18 °C
Prova d’assestamento:
Prova n. 1
Prova n. 2
V = 18.0 kV
V = 24.0 kV
V = 14.0 kV
Il Galden XAD Montefluos HT200 provato è un olio sintetico decisamente particolare.
La produzione di oli fluorinati, cioè contenenti fluoro, è stata decisa pensando alla
funzione dello zolfo nell’esafluoruro di zolfo; il fluoro infatti rende lo SF6 migliore dell’aria dal
punto di vista del comportamento alla scarica. In particolare, grazie al fluoro, lo SF6 presenta un elevato attaccamento, fenomeno che inibisce la scarica elettrica.
Quest’idea non è recente. Trent’anni fa molti gruppi industriali produssero dei perfluorinati (idrogeno + fluoro). Uno di questi liquidi è per esempio il FLUORINERT o FC43.
Lo FC43, ancora molto utilizzato, è usato in applicazioni di tipo elettrico ma è anche molto
stabile ad alta temperatura ed inerte. Queste qualità lo rendono ottimale nelle applicazioni
militari. Esso per esempio è utilizzato nei satelliti, che sono sottoposti a forte escursioni termiche fra quando il sole li illumina e quando invece essi sono in “ombra”.
Il FLUORINERT costa 5 o 6 volte di più di un olio minerale convenzionale.
Un olio fluorinato si ottiene per esempio a partire da un idrocarburo, per esterificazione con acido fluoridrico tramite opportuni catalizzatori.
Il fluoro conferisce al liquido un’alta stabilità ed ottime caratteristiche ad alta temperatura.
Il Galden è un polietilene polietere:
( O – CF – CF2 )n - ( O – CF2 )n - CF3
Viene prodotto in classi diverse a seconda della viscosità cinematica.
La scelta è caduta sulla classe di oli che bollivano pochissimo, anche se sono quelli
che però hanno una viscosità più elevata.
Il Galden pesa il doppio dell’acqua, il che è positivo perché più un liquido è denso
più smaltisce calore a parità di viscosità e peso specifico.
Il Galden non varia il proprio volume al variare della temperatura, il che consente
per esempio di costruire trasformatori più piccoli.
Ha un valore di rigidità dielettrica di 40kV/2.5mm e una costante dielettrica relativa
0r fra 2 e 2.5, che lo rende buono sia per l’uso nei trasformatori che nei condensatori.
Gli attuali Galden hanno un’ottima viscosità , anche se a scapito di una certa tendenza a bollire.
La viscosità di un olio, ovvero il punto di scorrimento ad una certa temperatura, determina la temperatura minima di avviamento di una macchina elettrica, che le Norme europee fissano in –60°C (infatti se la macchina viene avviata ad una temperatura alla quale
l’olio non scorre esso non può dissipare il calore e la macchina si brucia).
Bibliografia:
BOCCHI Silvio – Tecnologie elettriche, macchine e disegno elettrotecnico – Edizioni ZANICHELLI
OLIVIERI e RAVELLI – Elettrotecnica (Volume IV – Impianti di generazione e trasporto dell’energia elettrica) – Edizioni CEDAM
Appunti di “Tecnologie Generali dei Materiali” dalle lezioni del Prof.
Giorgio TORRACA
Appunti di “Tecnologie Elettriche” dalle lezioni del Prof. Carlo MAZZETTI